Hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế các công trình chịu động đất TCVN 9386:2012

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 55 (11/2016)  117 BÀI BÁO KHOA HỌC HỆ SỐ ỨNG XỬ TRONG TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT TCVN 9386:2012 Lê Trung Phong1 Tóm tắt: Hệ số ứng xử được sử dụng trong tính toán thiết kế hiện nay là một khái niệm mới cho các kỹ sư thiết kế nói chung. Trước khi tiêu chuẩn (TCVN 9386:2012, 2012) ban hành (trước kia gọi là TCXDVN 375:2006) các kỹ sư phải sử dụng các tiêu chuẩn nước ngoài hoặc tham khảo các cách tính của các nước khác trên thế giới để tính toán tải trọng động đất lên kết cấu. Tiêu chuẩn (TCVN 9386:2012, 2012) đề cập đến hệ số ứng xử của kết cấu là hệ số cốt lõi trong tiêu chuẩn tính toán động đất này. Bản chất khoa học của hệ số ứng xử là hệ số giảm tải có kể đến sự làm việc sau giai đoạn đàn hồi của vật liệu mà không phải phân tích phi tuyến kết cấu. Nhằm thỏa mãn cách tính này yêu cầu kết cấu phải có một độ dẻo nhất định. Từ khoá: Hệ số ứng xử, giai đoạn đàn hồi, tải trọng động đất lên kết cấu.  1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1 Hệ  số  ứng  xử  trong  thiết  kế  kết  cấu  là  một  khái niệm mới đối với các kỹ sư xây dựng hiện  nay. Trước khi ban hành tiêu chuẩn thiết kế các  công  trình  chịu  động  đất  (TCVN  9386:2012,  2012)  các  kỹ  sư  tính  toán  thiết  kế  động  đất  thường theo các tiêu chuẩn thiết kế nước ngoài  hoặc  một  số  tài  liêu  tham  khảo  khác.  Trong  TCVN  9386:2012,  2012  đề  cập  đến  khái  niệm  hệ số ứng xử và đây là một trong số những vấn  đề  cốt  lõi  xuyên  suốt  nội  dung  của  tiêu  chuẩn  này. Trong bài báo, tác giả nêu lên bản chất của  hệ số ứng xử trong tính toán thiết kế công trình  chịu  động  đất  theo  (TCVN  9386:2012,  2012).  Qua đó tác giả giúp bạn đọc hiểu được mức độ  quan trọng và tầm ảnh hưởng đối với việc thiết  kế  công  trình  chịu  động  đất  theo  (TCVN  9386:2012, 2012).  2. NỘI DUNG CƠ BẢN CỦA TIÊU CHUẨN TCVN 9368:2012 2.1. Quan niệm mới trong thiết kế Công trình chịu động đất Sự  làm  việc  của  một  công  trình  xây  dựng  trong  thời  gian xẩy  ra động  đất  phụ  thuộc vào  hai yếu tố chính:  1 Trường Đại học Thủy lợi - Cơ sở 2 - Cường độ động đất hoặc độ lớn động đất;  - Chất lượng công trình.  Chất lượng công trình là một yếu tố có độ tin  cậy  tương  đối  cao  vì  nó  phụ  thuộc  vào  những  điều kiện có thể kiểm soát được như: hình dạng  công  trình,  phương  pháp  tính  toán,  cách  thức  cấu  tạo các bộ phận kết cấu chịu  lực và không  chịu  lực,  chất  lượng  thi  công,...  còn  cường  độ  động  đất  là  một  yếu  tố  có  độ  tin  cậy  rất  thấp.  Sau nhiều năm nỗ lực nghiên cứu dự báo động  đất, con người vẫn chưa thể trả lời được các câu  hỏi sau:  (i) Lúc nào sẽ xẩy ra động đất?  (ii) Động đất sẽ xẩy ra ở đâu?  (iii) Động đất xẩy ra sẽ mạnh đến mức nào?   Do  đó,  hiện  nay  chúng  ta  buộc  phải  chấp  nhận tính không chắc chắn của hiện tượng động  đất để tập trung vào việc thiết kế các công trình  có  mức  độ  an  toàn  chấp nhận được,  nhằm bảo  đảm  trong  trường  hợp  động  đất  xẩy  ra  sinh  mạng con người được bảo vệ, các hư hỏng được  hạn chế và những công trình quan trọng có chức  năng bảo vệ cư dân vẫn có thể duy trì hoạt động.  Các  công  trình  xây  dựng  được  thiết  kế  theo  quan điểm này phải có một độ cứng, độ bền và  độ dẻo thích hợp. Đối với các  trận động đất có  cường  độ  yếu,  độ  cứng  nhằm  tránh  không  để  KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 55 (11/2016) 118 xẩy  ra  các hư  hỏng  ở phần kiến  trúc  của  công  trình.  Đối  với  các  trận  động  đất  có  cường  độ  trung  bình,  độ  bền  cho  phép  giới  hạn  các  hư  hỏng  nghiêm  trọng  ở  hệ  kết  cấu  chịu  lực.  Đối  với  các  trận  động đất  mạnh  hoặc  rất  mạnh,  độ  dẻo cho phép công trình có các chuyển vị không  đàn hồi  lớn mà không bị sụp đổ. Sụp đổ ở đây  được  hiểu  theo  nghĩa  là  trạng  thái  khi  những  người  sống  trong  nhà  không  thể  chạy  thoát  ra  ngoài do một  sự cố nghiêm  trọng ở hệ kết cấu  chịu lực chính.  Hiện  nay  các  tiêu  chuẩn  thiết  kế  công  trình  chịu động đất ở nhiều nước khác nhau trên  thế  giới  như Mỹ, Nhật Bản, Châu Âu,  Newzeland,  Canada đều kiến nghị lựa chọn giữa hai cách  làm việc của công trình khi thiết kế.  (i) Cách  thứ  nhất,  được  gọi  là  làm  việc  đàn  hồi  dẫn  tới  việc  thiết  kế  công  trình  sao  cho  chúng  làm  việc  trong  miền  đàn  hồi  tuyến  tính  dưới tác động động đất. Cách thức làm việc này  đặc biệt thích hợp cho các công trình xây dựng  trong  các  vùng  động  đất  yếu,  vì  việc  thiết  kế  đơn giản và công trình vẫn nguyên vẹn sau khi  chịu  một  hoặc  nhiều  trận  động  đất.  Trong  các  vùng  động  đất  từ  trung  bình  đến  mạnh,  việc  chọn  cách  làm việc  này  lại  làm cho  công  trình  được thiết kế quá mức về phương diện vật  liệu  và  giá  thành  do  lực  ngang  tác  động  vào  công  trình khá lớn.  (ii) Cách thứ hai, được gọi là làm việc dẻo  dẫn tới việc thiết kế công trình sao cho chúng  làm  việc  sau  đàn  hồi  (đàn  hồi  –  dẻo  hoặc  dẻo) dưới tác động động đất. Sự làm việc đàn  hồi  –  dẻo  được  kiểm  soát  sẽ  làm  cho  khả  năng phân  tán năng  lượng của công  trình  trở  nên rất lớn, điều này cho phép giảm được nội  lực  cũng  tức  là  giá  thành  xây  dựng.  Quan  niệm thiết kế mới này và kèm theo đó là cách  thức  làm  việc  thứ  hai  của  vật  liệu  rất  phổ  biến  hiện  nay  trong  thiết  kế  kháng  chấn  các  công  trình  xây  dựng,  đặc  biệt  là  các  công  trình bằng BTCT và gạch đá.    Chúng ta có thể thiết kế được các công trình  có  thể  chịu  được  các  trận  động  đất  mạnh  mà  không bị hư hỏng (cách thứ nhất), nhưng trong  đa số các trường hợp việc thiết kế như vậy vừa  không kinh tế lại vừa không hợp l ý do xác suất  xuất hiện những trận động đất mạnh thường rất  thấp.  Do  đó  mục  tiêu  của  việc  thiết  kế  kháng  chấn  hiện  nay  là  giảm  đến  mức  tối  đa  sự  hư  hỏng ở các công trình xây dựng khi xẩy ra các  trận  động đất  trung bình và chấp nhận các  hư  hại  lớn  (nhưng  không  sụp  đổ)  ở  các  kết  cấu  chịu  lực  khi  xẩy  ra  các  trận  động  đất  mạnh  hoặc rất mạnh.  Như  vậy  việc  thiết  kế  công  trình  theo  quan  niệm thiết kế kháng chấn mới đã mặc nhiên cho  phép  kết  cấu  làm  việc  ngoài  giới  hạn  đàn  hồi  trong thời gian chịu các trận động đất có cường  độ trung bình hoặc cao. Sự làm việc không đàn  hồi của kết cấu được biểu thị qua độ dẻo của nó.  Đây  là một  tính chất  rất quan  trọng của các hệ  kết cấu mà các nhà khoa học dựa vào đó để xây  dựng nên nội dung chủ yếu của các  tiêu chuẩn  thiết  kế  kháng  chấn  hiện  đại.  Như  vậy  độ  dẻo  của kết cấu là một nội dung cơ bản của các tiêu  chuẩn  thiết  kế  kháng  chấn  hiện  nay  ở  hầu  hết  các nước trên thế giới nằm trong các khu vực có  động đất  mạnh  trong  đó  có  tiêu  chuẩn  (TCVN  9386:2012, 2012).  2.2. Độ dẻo và hệ số làm việc 2.2.1. Độ dẻo Xét  hệ  kết  cấu  có một bậc  tự  do  động khối  lượng  m  và  độ  cứng  k,  dao  động  tự  do  không  lực cản dưới tác động động đất (hình 1). Như đã  trình bày ở trên, hệ kết cấu có thể chịu được tác  động động đất theo một trong hai cách sau: hoặc  bằng khả năng chịu một lực tác động lớn (F1,max)  nhưng  phải  dao  động  trong  giới  hạn  đàn  hồi  (cách  thứ  nhất),  hoặc  bằng  khả  năng  chịu  một  lực  tác động bé hơn (F2,max< F1,max) nhưng phải  có khả năng biến dạng dẻo kèm theo (cách  thứ  hai). Khả năng của hệ kết cấu có thể biến dạng  dẻo được đặc trưng qua độ dẻo của nó. Về mặt  toán học, độ dẻo được định nghĩa  là  tỷ số giữa  chuyển vị toàn phần ∆ tại một thời điểm bất kỳ  trong  quá  trình  chất  tải  (thường  là  thời  điểm  ngay trước khi phá hoại) và chuyển vị lúc chảy  dẻo ∆y :  1 Δ Δ μ y                                         (1)  KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 55 (11/2016)  119 B F O O EG yx x1,max F1,max 2,maxx =xu F2,max A D F1,max m m C a) b) Hình 1. Phản ứng của các hệ kết cấu có một bậc tự do động khi chịu tác động động đất: a) Phản ứng đàn hồi; b) Phản ứng đàn hồi - dẻo.  Độ  dẻo  là  đặc  tính  quan  trọng  của  kết  cấu  theo hướng có lợi và là một chỉ số biểu thị khả  năng hấp thụ năng lượng của hệ chỉ khi nào nó  giữ lại được gần như toàn bộ khả năng chịu tải  và  không  bị  suy  giảm  đáng  kể  độ  cứng  trong  miền không đàn hồi sau nhiều chu kỳ chuyển vị.  Do vậy độ dẻo được định nghĩa một cách  tổng  quát là khả năng hấp thụ năng lượng của kết cấu  thông qua sự làm việc không đàn hồi mà không  làm  cho  cường  độ  bị  giảm  đáng  kể  dưới  tác  dụng của tải trọng lắp lại đổi chiều.  Đối với hệ kết cấu đang xét ở hình 1b, độ dẻo  được biểu thị như sau:  OC OE x x y u  (2) Căn  cứ  vào  độ  dẻo,  tiêu  chuẩn  (TCVN  9386:2012,  2012) phân  loại  các công  trình xây  dựng thành ba cấp khác nhau như sau:  - Cấp dẻo ‘DCL’ (độ dẻo hạn chế hoặc thấp)  ứng  với  các  công  trình  được  thiết  kế  với  khả  năng phân tán năng lượng và độ dẻo hạn chế;  - Cấp dẻo ‘DCM’ (độ dẻo trung bình);   - Cấp dẻo ‘DCH’ (độ dẻo cao).   Các công trình thuộc các cấp dẻo trung bình  và cao là các công trình được thiết kế để có khả  năng phân tán năng lượng và làm việc dẻo. Các  công trình này khi thiết kế phải tuân thủ các quy  định  đặc  biệt  cho  trong  tiêu  chuẩn  (TCVN  9386:2012, 2012).   2.2.2. Hệ số làm việc hay hệ số ứng xử Đối  với  hệ  kết  cấu đang  xét  ở hình  1  nếu  giả  thiết cân bằng chuyển vị của hệ khi  làm việc đàn  hồi với khi làm việc đàn hồi dẻo (hình 2a) ta được:   OC OF max2, max1, F F (3)  Điều này có nghĩa là công trình có thể được  tính  toán với một  tác động động đất F2,max nhỏ  hơn  μ  lần  so  với  giả  thiết  đàn  hồi  nhưng  kèm  KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 55 (11/2016) 120 theo đó nó phải có một độ dẻo μ. Đối với các hệ  kết  cấu  có  chu  kỳ  ngắn,  giả  thiết  cân  bằng  chuyển  vị  ở  trên  có  vẻ  đi  theo  hướng  không  được an toàn nên một số nhà nghiên cứu, ví dụ  Blume (Mỹ) đã kiến nghị sử dụng giả thiết cân  bằng  năng  lượng  để  xác  định  mức độ  giảm  tải  khi tính toán hệ kết cấu không đàn hồi. Theo giả  thiết này, thế năng của hệ kết cấu không đàn hồi  (diện  tích hình  thang OADE) cân bằng với  thế  năng của hệ kết cấu đàn hồi (diện tích tam giác  OBF)  (hình  2b).  Từ  giả  thiết  này  ta  có  thể  dễ  dàng xác định được tỷ số sau:  12 F F max2, max1,   (4)  Theo cách này, công trình có độ dẻo μ có thể  được tính toán với một tác động động đất F2,max  nhỏ hơn  12    lần  so với  giả  thiết  tính  toán  đàn  hồi.  Các  kết  quả  nghiên  cứu  thực  nghiệm  cũng cho thấy trong thực tế chuyển vị của hệ kết  cấu nằm giữa hai giả  thiết  trên và giả  thiết của  Blume là giới hạn trên của chúng. Do đó, một số  nhà  nghiên  cứu  (Clough,...)  đã  gọi  tỷ  số  F1,max/F2,max  là hệ số giảm tải khi công  trình có  một  độ  dẻo  μ  và  kiến  nghị  lấy  hệ  số  này  nằm  giữa  hai  giá  trị  trên.  Trong  tiêu  chuẩn  (TCVN  9386:2012, 2012), tỷ số F1,max/F2,max được gọi là  hệ số ứng xử và được ký hiệu là q.  Hình 2. Các giả thiết sử dụng để xác định hệ số giảm tải của hệ kết cấu a) theo giả thiết cân bằng chuyển vị      b) theo giả thiết cân bằng năng lượng  Việc  sử  dụng  hệ  số  ứng  xử  q  dựa  trên  giả  thiết  cho  rằng  kết  cấu  có  đủ  độ  dẻo  cần  thiết,  nghĩa  là  nó  có khả năng biến  dạng  dẻo  ở  mức  tương đối lớn. Khả năng biến dạng dẻo cần thiết  được tạo ra thông qua các biện pháp cấu tạo đặc  biệt,  ví  dụ  như  tăng  chiều  dài  neo  và  nối  cốt  thép, tăng mật độ cốt thép đai trong các vùng có  khả năng xuất hiện khớp dẻo...       Khi thiết kế kháng chấn, nếu muốn khai thác  khả  năng  phân  tán  năng  lượng  của  hệ  kết  cấu  thông qua sự làm việc của nó trong miền không  đàn hồi và muốn tránh phải tính toán phi tuyến  hệ kết cấu, tiêu chuẩn (TCVN 9386:2012, 2012)  cho  phép  thực  hiện  tính  toán  tuyến  tính  tương  đương  bằng  cách  sử  dụng  phổ  thiết  kế  (hoặc  tính toán) có cùng hình dạng như phổ phản ứng  đàn hồi nhưng với các  tung độ đặc  trưng được  giảm xuống tỷ lệ với hệ số q > 1.   Theo (TCVN 9386:2012, 2012) hệ số ứng xử  được qui định thay đổi trong phạm vi:  - Từ 1,6 đến 5 đối với kết cấu thép,   - Từ 1,6 đến 4,5 đối với kết cấu liên hợp thép  – bê tông,  - Từ 1,5 đến 4 đối với kết cấu gỗ,  - Từ 1,5 đến 3 đối với kết cấu xây.  Sự làm việc dẻo của vật liệu sẽ làm cho khả  KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 55 (11/2016)  121 năng  phân  tán  năng  lượng  của  kết  cấu  trở  nên  rất  lớn, đồng  thời  làm giảm nhẹ  tác động động  đất  do  chu kỳ dao  động  riêng của  kết  cấu  lệch  khỏi miền tần số nguy hiểm nhất của phổ phản  ứng động đất.  3. THẢO LUẬN 3.1. Độ dẻo Với các công trình được thiết kế cần xem xét  đến  độ  dẻo  của  kết  cấu.  Với  công  trình  có  độ  dẻo  trung  bình  và  độ  dẻo  cao  cần  có  cấu  tạo  tương ứng để việc  tính  toán đúng như giả  thiết  ban đầu. Công trình được thiết kế tương ứng với  từng cấp dẻo đã định  trước. Điều này giúp cho  người thiết kế hình dung được sự cần thiết phải  đặt theo cấu tạo tương ứng.   3.2. Hệ số ứng xử Theo (TCVN 9386:2012, 2012) hệ số ứng xử  được qui định thay đổi trong phạm vi từ 1,5 đến  5 tương ứng với các vật liệu được sử dụng làm  kết  cấu  chịu  lực  chính.  Việc  lựa  chọn  vật  liệu  hợp lý sẽ làm cho công trình được thiết kế có độ  bền và tuổi thọ tương ứng. Nhờ tính dẻo của kết  cấu  mà  công  trình  có  khả  năng  phân  tán  năng  lượng tốt dưới tác dụng của tải trọng động đất.  4. KẾT LUẬN Qua  bài  báo  này  chúng  ta  hiểu  được  hệ  số  ứng  xử  và  qui  định  sử  dụng  trong  tiêu  chuẩn  thiết  kế  công  trình  chịu  động  đất  (TCVN  9386:2012, 2012), nó phụ thuộc vào độ dẻo và  hệ kết cấu. Độ dẻo phụ thuộc vào các tính chất  vật liệu tạo nên hệ kết cấu, cách thức cấu tạo cốt  thép, chiều dài neo, cách bố trí cốt thép đai, lực  dính  giữa  cốt  thép  và  bê  tông,  hàm  lượng  cốt  thép đai trong bê tông,..   Hệ kết cấu phụ thuộc vào loại hệ kết cấu, bậc  siêu  tĩnh,  các  giả  thiết  đơn  giản  hóa  được  sử  dụng trong việc mô hình hóa tác động địa chấn,  sơ đồ tính, cách liên kết giữa phần thân và phần  móng của công trình, cách thức bố trí khớp dẻo  dự kiến (đầu dầm, đầu cột, chân cột,).  TÀI LIỆU THAM KHẢO George  G. Penelis, Andreas  J. Kappos,  (1997), Earthquake - Resistant Concrete Structures. E&FN  SPON, American. Nguyễn Lê Ninh, (2007), Động đất và thiết kế công trình chịu động đất. Hà Nội Paulay T.; Priestley M. J. N, (1992), Seismic design of reinforced concrete and masonry. American.  TCVN 9386:2012, (2012), Thiết kế công trình chịu động đất. Hà Nội Abstract:  THE RESISTANT FACTOR IN TCVN 9386:2012  Resistant factor (structural factor) are using in structure design is a new concept for engineers nowaday. Before the (TCVN 9386:2012, 2012) is issued, engineers have to use some foreign standard or other reference materials to apply the seismic load on structure if required. The (TCVN 9386:2012, 2012) mentioned about the resistant factor (structural factor) and it is the skeleton factor of this standard. The esensce of the resistant factor is the load reduction factor, it consider the inelastic stage of the material without nonlinear analysis for the structure. To take this advantage, the structure have to contain the minimum requirement of ductility. Keywords: Resistant factor, elastic stage, seismic load on structure.  BBT nhận bài: 03/9/2016 Phản biện xong: 05/10/2016